Материалы и технологии деталей

Задания:

1. Литейные алюминиевые сплавы: классификация, свойства, применение. По диаграмме состояния алюминий-кремний опешите характер превращений и взаимодействия компонентов, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов. Рафинирование состава и модифицирование структуры отливок.

2. Фрезы изготавливаются из стали 9ХС. Укажите состав и группу, к которой она относится, назначьте и обоснуйте режим упрочняющей ТО. Объясните как влияют легирующие элементы на превращения, происходящие при ТО, микроструктуру и свойства стали.

3. Качество поверхности. Параметры и обозначение шероховатости. Методы определения шероховатости.

4. На 250 рабочих местах, оснащенных 640 единицами оборудования, в течении месяца выполняют 3600 операций. Определить тип производства и дать его технико-экономическую характеристику.

1.

Сплав — макроскопически однородная смесь двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Основной или единственной фазой сплава, как правило, является твёрдый раствор легирующих элементов в металле, являющемся основой сплава.

Сплавы алюминия, отличаются малой плотностью (до 3,0 г/см³), хорошими технологическими свойствами, высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью. электрич. проводимостью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хорошей светоотражат. способностью. На изделия из сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Сплавы легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой, а некоторые и сваркой плавлением.

По способу обработки различают деформируемые и литейные сплавы алюминия. Первые подвергают горячей и холодной обработке давлением-прокатке, прессованию, ковке или штамповке, волочению. Из них получают плиты, листы, профили, прутки, поковки, проволоку. Из литейных сплавов алюминия методами литья в земляные, корковые или металлические (кокильные) формы, а также литья под давлением изготавливают фасонные отливки.

Для литейных сплавов особенно важны литейные характеристики — высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин.

В зависимости от химического состава литейные алюминиевые сплавы делят на пять групп:

1. сплавы на основе системы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34 и др.); отличаются высокими литейными свойствами, удовлетворительной коррозионной стойкостью, могут длительно работать при температурах 150-200 ^оС;

2. сплавы на основе системы Al-Si-Cu (АЛ3, АЛ5, АЛ32, АК52М и др.); обладают пониженной коррозионной стойкостью; сплавы АЛ3 и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью (рабочая температура до 270 ^оС);

3. сплавы на основе системы Al-Mg (АЛ8, АЛ23, АЛ21-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28); обладают удовлетворительными литейными свойствами, высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием; рабочая температура ниже 100 ^оС;

4. сплавы на основе системы Al-Cu (АЛ7, АЛ19, АЛ33); обладают пониженными литейными свойствами; хорошей коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием;

5. сплавы на основе сложных систем (АЛ1, АЛ21, АЛ24 и др.); отличаются высокой жаропрочностью, пониженной коррозионной стойкостью.

Табл. 1. — Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1МН/м² » 0, 1 кгс /мм²; 1 кгс/мм² » 10 МН/м²)

Марка сплава	Элементы (% по массе)				Вид литья	Типичные механические свойства
	Cu	Mg	Mn	Si		предел прочности sb,МН/м2	предел текучести s0,2,МН/м2	относит. удлинение d, %
АЛ8		9,5-11,5	0,1	0,3	З, В, О	320	170	11,0
АЛ2	0,8	—	0,5	10-13	Все виды литья	200	110	3,0
АЛ9	0,2	0,2-0,4	0,5	6-8	" « "	230	130	7,0
АЛ4	0,3	0,17-0,3	0,25-0,5	8-10,5	" » «	260	200	4,0
АЛ5	1,0-1,5	0,35-0,6	0,5	4,5-5,5	» « "	240	180	1,0
АЛЗ	1,5-3,5	0,2-0,8	0,2-0,8	4,0-6,0	Все виды литья, кроме Д	230	170	1,0
АЛ25	1,5-3,0	0,8-1,2	0,3-0,6	11-13	К	200	180	0,5
АЛ30	0,8-1,5	0,8-1,3	0,2	11-13	К	200	180	0,7
АЛ7	4-5	0,03	—	1,2	—	230	150	5,0
АЛ1	3,75-4,5	1.25-1,75	—	0,7	Все виды литья, кроме Д	260	220	0,5
АЛ19	4,5-5,3	20,05	0,6-1,0	0,3	З, О, В	370	260	5,0
АЛ24	0,2	1,5-2,0	0,2-0,5	0,3	З, О, В	290	—	3,0

Примечания 1) Виды литья: З — в землю; В — по выплавляемым моделям; О — в оболочковые формы; К —в кокиль; Д — под давлением. 2) Zn 3,5 — 4,5%.

Табл.2. — Назначение алюминиевых литейных сплавов

Марка	Назначение
АЛ1		Детали средней нагруженности, работающие при повышенных температурах (поршни, головки двигателей и др.)
АЛ2		Тонкостенные детали сложной конфигурации< работающие при ударных нагрузках (корпусные детали, рычаги, кронштейны, крышки и др.)
АЛ3		Детали не несущие больших нагрузок и работающие при повышенных температурах (крышки, кронштейны и др.)
АЛ4		Крупные детали сложной формы, несущие статические и ударные нагрузки (картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. п.)
АЛ5		Крупные детали, несущие повышенные статические нагрузки (корпуса, блоки, рубашки, головки двигателей внутреннего сгорания и др.)
АЛ7		Небольшие детали простой конфигурации, несущие большие статические нагрузки (кронштейны, упоры, подвески и т. п.)
АЛ8		Детали простой формы, работающие в агрессивных средах и несущие большие нагрузки (арматура, корпуса приборов на морских судах)
АЛ9		Сложнопрофильные нагруженные детали, работающие в агрессивных средах и требующие сварки (корпуса насосов, редукторов, картеры двигателей и др.)
АЛ25		Поршни двигателей внутреннего сгорания
АЛ34 (ВАЛ5)		Корпусные детали, работающие под высоким давлением
АЛ27		Детали морских судов
АЛ19		Силовые и клепаные детали, работающие при температурах до     300 оС
АЛ33 (ВАЛ1)		Детали, работающие при температуре 350 оC

Рис.1 Диаграмма состояния Al – Si

Сплавы Al – Si являются наиболее распространёнными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим комплексом литейных свойств. Эвтектическая точка (11,7% Si) на диаграмме состояния (рисунок 1) смещена к чистому Al, поэтому основой эвтектики Si является твёрдый раствор. Если выделение кремния в эвтектике находится в виде крупных образований, то пластичность сплава резко ухудшается с увеличением доли эвтектики в структуре.

Модифицирование натрием (используются также Li, K, Sr) резко измельчает включения кремния в эвтектике, в результате повышается комплекс пластических свойств, что, в свою очередь, приводит к отсутствию склонности к образованию горячих трещин. Небольшое количество хрупкого кремния в эвтектике и модифицирование структуры позволяют использовать сплавы с наилучшим комплексом литейных свойств (сплав АЛ2 (АК12)). Доэвтектические сплавы с 5-9% Si и другими добавками также находят широкое применение (АЛ4 (АК9ч), АЛ9 (АК7ч)).

В двойных сплавах Al – Si, получивших название простые силумины, вследствие отсутствия интерметаллидов эффект упрочнения от выделения вторичных фаз очень незначителен и не имеет практического значения. В связи с этим двойные сплавы относятся к числу термически не упрочняемых и обладают невысокими прочностными свойствами.

Примеси железа в сплавах Al – Si образуют сложное соединение (Al – Fe – Si) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность. Отрицательное влияние железа эффективно снижает добавка 0.2 – 0.5% Mn.

В присутствии марганца вместо (Al – Fe – Si) образуется фаза (Al – Fe – Si – Mn) в виде компактных равноосных полиэдров, в меньшей степени влияющих на пластичность.

Механические свойства силуминов заметно отличаются при различных способах литья, например, при литье в песчаную форму механические свойства хуже, чем при литье в кокиль или при литье под давлением. Объясняется это тем, что более высокая скорость кристаллизации приводит к измельчению структурных составляющих.

Сплав АЛ2(АК12) (11.7% Si) – единственный промышленный двойной сплав системы Al – Si. Он характеризуется невысокими механическими свойствами, которые в зависимости от условий литья и размеров сечения отливки сильно колеблются.

Эвтектический состав сплава (10 – 13% Si) – обеспечивает ему отличный комплекс литейных свойств: наиболее высокую жидкотекучесть среди всех алюминиевых сплавов, отсутствие склонности к образованию трещин и пористости. Из сплава получают плотные, герметические отливки с концентрированной усадочной раковиной. Линейная усадка не превышает 0.8%. Сплав широко используется для всех способов литья в различные формы, применяется в модифицированном состоянии, без термической обработки. АЛ2(АК12) характеризуется высокой коррозионной стойкостью. Сплав АЛ2(АК12) применяют особенно широко для литья под давлением, а также для производства крупногабаритных отливок.

2

Стали, предназначенные для изготовления инструмента (сверла, метчики, резцы, фрезы и др.) относятся к инструментальным. Они должны быть твердыми (HRC > 60), прочными, износостойкими, теплостойкими, сопротивляться сменам температур. Для этого стали должны иметь высокое содержание углерода, для многих инструментов иметь в составе большое

количество легирующих элементов.

Сталь инструментальная легированная 9ХС

Сталь 9ХС имеет плотность 7830 кг/м.куб. Область применения инструментальной стали 9ХС: сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ, ответственные детали, обладающие повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении. У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента. Инструментальная сталь 9ХС не применяется для сварных конструкции и склонна к отпускной способности.

Химический состав инструментальной стали 9ХС:

• Кремний: 1,20-1,60

• Марганец: 0,30-0,60

• Медь: до 0,3

• Никель: до 0,35

• Сера: 0,03

• Углерод: 0,95-0,95

• Фосфор: 0,03

• Хром: 0,95-1,25

• Ванадий: 0,15

• Титан: 0,03

Для повышения прокаливаемости при изготовлении крупного инструмента, а так же для повышения красностойкости в углеродистую сталь вводят Cr, Si, Mn, W, V. V образует труднорастворимые карбиды, которые сохраняются при нагреве до очень высоких температур. Эти карбиды располагаются на границах зерен и поэтому сдерживают рост зерна,

предотвращая перегрев стали.

Группа а. – стали с неглубокой прокаливаемостью. Cr до 0,7%, W 1,5-5%, V до

0,3%.

7ХФ, 9ХФ – используются для изготовления сверл, метчиков, плашек.

Термообработка: закалка 740-760є С, охлаждение в воде или масле + низкий

отпуск.

Группа б. – стали глубокой прокаливаемости. Cr до 1,7%, W 1-2%, Mn 1-2%, Si

до 1%.

9Х, Х, 9ХС, ХГС, ХГВ – предназначены для изготовления крупного инструмента.

Термообработка: закалка 830-850є С + низкий отпуск 180-200є С.

Стали, содержащие ванадий, позволяют регулировать глубину прокаленного слоя

за счет температуры закалки.

Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до

температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения

высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную.

При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при

поверхностной – только поверхность.

Способы закалки

1. Охлаждение в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие

внутренние напряжения. Чтобы их уменьшить применяют второй способ закалки.

2. Закалка в двух средах (из воды в масло). По этому способу в начале

деталь охлаждают в воде, до температуры ниже перлитного превращения, а

затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ

сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется

выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка

будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение,

и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают

большие внутренние напряжения.

В качестве термообработки выбираем Закалка 870 °С, масло. Отпуск 180-240 °С

Легированные и специальные стали.

Легированными или специальными называют такие стали, которые в своем

составе кроме углерода содержат еще дополнительные добавки, введенные в

состав с целью направленного изменения ее свойств. Такие добавки называются

легирующими элементами (добавками). Основное отличие легирующих элементов

от примесей заключается в том, что их количество определяется необходимой

мерой изменения свойств стали, в то время как для примесей количество

определяет допустимую меру ухудшения свойств. Одни и те же элементы могут

играть роль примесей или роль легирующих элементов, но примеси попадают в

сталь случайно или с шихтой, в то время как легирующие элементы вводятся

специально. К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si,

Al. Количество вводимых легирующих элементов может изменяться от долей

процента до десятков процентов. Влияние легирующих элементов проявляется в

изменении структуры и, соответственно, свойств стали.

Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях.

Большинство легирующих элементов, при введении их в сталь, изменяют

температуру начала и конца полиморфных превращений.

1. Первая группа легирующих элементов отличается тем, что понижает точку А3

и повышает точку А4. В группу входят Ni, Mn, Pt. Введение легирующих

элементов, которые понижает точку А3 и одновременно повышает точку А4,

расширяя область существования аустенита, называют аустенизаторами. При

содержании легирующих элементов больше Скр, структура будет аустенитная,

без полиморфных превращений.

2. Вторая группа легирующих элементов отличается тем, что повышает точку А3

и понижает точку А4. В группу входят Si, Ti, V, Mo. Введение легирующих

элементов повышает точку А3 и одновременно понижает точку А4. В этом случае

происходит замыкание области существования аустенита и, при содержании

легирующих элементов больше СКР, полиморфных превращений в стали не будет.

Такие легирующие элементы, которые стабилизируют Феррит, называются

ферритизаторами.

Если в сталь вводят легирующие элементы с различным влиянием на

полиморфные превращения, то окончательная структура стали может быть

различной, в зависимости от соотношения легирующих элементов и

температурного воздействия, т.е. сталь может быть с ферритной, феррит +

аустенит, аустенитной структурой.

Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом.

Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо

образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, K, S.

Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен,

ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства

падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых

растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с

этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых

растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения

образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения

образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых

растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает

пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность,

пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это

Ni.

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами

химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr,

FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но

одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo. К не карбидообразующим

относят Ni, Al, Cu, Si, Mn. Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их

появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с

одновременным снижением вязкости и пластичности. Легирующие элементы влияют

на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C.

Введение карбидообразующих элементов повышает точки А1 и А3, т.к. карбиды

легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более

высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих

элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур

отжига и закалки. Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки

S и E на диаграмме Fe-C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем

меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может

приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут

наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых

сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.

Введение легирующих элементов изменяет положение С – образных кривых на

диаграмме изотермического превращения аустенита.

Практически все легирующие элементы смещают С – образные кривые вправо, а

точки Mn и Mk вниз. И только один элемент является исключением, действует

наоборот – это Co. Из-за смещения С – образных кривых вправо, изменяется

критическая скорость охлаждения при закалке.

При содержании легирующих элементов более 15-20%, интервал перлитного

превращения смещается вправо настолько, что при охлаждении на воздухе

превращение не наступает вовсе. Начало и конец мартенситного превращения

смещается в область отрицательных температур. В результате Аустенитная

структура стали сохраняется при любых температурах. Такую сталь называют

сталью Аустенитного класса.

Наличие легирующих элементов в стали делает более устойчивым закаленное

состояние, т.е. мартенсит сохраняется при нагревании в процессе отпуска до

более высоких температур. Так, если в обычной углеродистой стали мартенсит

превращается в троостит уже при нагревании до 250є С, то в легированных

сталях мартенсит может сохраняться до температур 450-550є С. Это позволяет

использовать такую сталь при работе, например, с более высокими скоростями

резания, или в качестве инструмента для горячей штамповки.

Изменение твердости легированной стали при отпуске.

Сохранение твердости легированной стали до более высокой температуры

отпуска объясняется повышенной устойчивостью мартенсита, а также выделением

из него при отпуске огромного количества мельчайших карбидов легирующих

элементов: Cr, W, Ti. Этот эффект называется дисперсионным или вторичным

твердением.